JP2022052951A - 圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】周囲温度の影響を受けにくく周波数安定度の高い小型の圧電発振器を提供する。【解決手段】水晶発振器１は、水晶振動子２、集積回路素子３及びヒータ基板５と搭載基板５０と、パッケージ６と、を有する。水晶振動子２、集積回路素子３及びヒータ基板５は、搭載基板５０に搭載されている。搭載基板５０は、断熱用空間を有する。パッケージ６は、ベース８と、蓋体１０と、を有する。ベース８は、搭載基板を収納する収納凹部８ａを有する。蓋体１０は、ベースの開口に接合されて、搭載基板５０が収納された収納凹部８ａを気密に封止する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電発振器に関し、更に詳しくは、周囲温度の影響を受けにくい周波数安定度の高い圧電発振器に関する。

移動体通信機器等に用いる水晶発振器などの圧電発振器として、周波数安定度が高い恒温槽型の圧電発振器がある(例えば、特許文献１参照)。

この圧電発振器では、発振回路ユニットを収容するインナーオーブンと、インナーオーブンを収容するアウターオーブンとの二重の恒温槽を、外側金属ケースで覆っている。

また、インナーオーブン内のインナープリント基板と、アウターオーブン内のアウタープリント基板とは、接続ピンによって電気的機械的に接続され、アウタープリント基板と、外側金属ケース内のベースプリント基板とは、接続ピンによって電気的機械的に接続され、ベースプリント基板は、接続ピンによってマザープリント基板に設けたスルーホール等に挿通し半田接続されることによって、当該圧電発振器はマザープリント基板上に搭載される。

特許第４２７０１５８号公報

移動体通信機器等では、機器の小型化が求められており、それに伴って圧電発振器についても小型化が求められている。

上記特許文献１の圧電発振器では、インナーオーブンとアウターオーブンとの二重の恒温槽を、外側金属ケースで覆う三重構造となっているので、大きくならざるを得ず、小型化を図るのは困難である。

また、インナープリント基板とアウタープリント基板、アウタープリント基板とベースプリント基板、及び、ベースプリント基板とマザープリント基板を電気的機械的にそれぞれ接続する接続ピンは、熱伝導率が高く、周囲温度の影響を受け易い。

本発明は、上記のような点に鑑みてなされたものであって、小型化を図ることができると共に、周囲温度の影響を受けにくい周波数安定度の高い圧電発振器を提供することを目的とする。

本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。

（１）本発明の圧電発振器は、圧電振動子、集積回路素子及び発熱体が搭載された搭載基板と、前記搭載基板を収納する収納凹部を有するベースと、前記ベースの開口に接合されて、前記搭載基板が収納された前記収納凹部を気密に封止する蓋体とを備え、前記搭載基板は、断熱用空間を有する。

本発明によれば、圧電振動子、集積回路素子及び発熱体が搭載された搭載基板は、断熱用空間を有するので、この断熱用空間によって効果的に断熱し、搭載基板に搭載された発熱体からの熱が、ベースの収納凹部を介して外部に放熱されるのを抑制しつつ、発熱体によって圧電振動子を効率よく加熱することができ、圧電振動子の温度を安定に保持して、周波数の安定化を図ることができる。

また、ベース内に、圧電振動子、集積回路素子及び発熱体を搭載した搭載基板を収納して蓋体で気密に封止することで、搭載基板の断熱用空間によって効果的に断熱することができるので、上記特許文献１のように、二重の恒温槽を、外側金属ケースで覆って断熱する必要がなく、小型化を図ることができる。

（２）本発明の好ましい実施態様では、前記搭載基板の前記断熱用空間が、窪み部及び貫通部の少なくともいずれか一方によって形成されている。

この実施態様によると、搭載基板の断熱用空間を形成する窪み部や貫通部によって、搭載基板に搭載された発熱体からの熱がベースの収納凹部を介して放熱されるのを効果的に抑制しつつ、発熱体によって圧電振動子を効率よく加熱することができる。

（３）本発明の他の実施態様では、前記搭載基板は、搭載面を有する第１基板と、前記収納凹部に接合される第２基板とを含む複数の基板が、重なるように接合されて構成され、前記複数の基板の内の少なくとも一つの基板は、前記断熱用空間を有する。

この実施態様によると、搭載基板は、搭載面を有する第１基板と、収納凹部に接合される第２基板とを含む複数の基板が、重なるように接合されて構成され、前記複数の基板の内の少なくとも一つの基板は、断熱用空間を有するので、搭載基板を構成する基板の枚数、断熱用空間を形成する基板、基板に形成する断熱用空間の位置といった選択が可能となり、設計の自由度が高まる。

（４）本発明の更に他の実施態様では、前記第１基板は、絶縁基板に、配線パターン及び複数の搭載用のパッド部が形成されて前記搭載面が構成され、前記少なくとも一つの基板は、絶縁基板に前記断熱用空間が形成されて構成される。

この実施態様によると、絶縁基板に、配線パターン及び複数の搭載用のパッド部が形成された搭載面を有する第１基板に、圧電振動子、集積回路素子及び発熱体が搭載され、複数の基板の内の少なくとも一つの基板は、断熱用空間が形成された絶縁基板であり、この断熱用空間が形成された絶縁基板によって、第１基板に搭載された発熱体からの熱が、ベースの収納凹部を介して外部に放熱されるのを抑制しつつ、発熱体によって第１基板に搭載された圧電振動子を効率よく加熱することができる。

（５）本発明の一実施態様では、前記絶縁基板が、水晶基板又はガラス基板である。

この実施態様によると、絶縁基板が、水晶基板又はガラス基板であるので、セラミック基板やセラミックパッケージの内底面のようにセラミックからなる平面に比べて平坦度が良好である。これによって、集積回路素子を第１基板に搭載する際の荷重が均等に印加されて、安定した接続が可能となり、集積回路素子の接続の信頼性が向上する。

（６）本発明の好ましい実施態様では、前記少なくとも一つの基板の前記断熱用空間は、平面視で、前記第１基板の前記複数の搭載用のパッド部に重ならない領域に形成されている。

第１基板の複数の搭載用のパッド部は、集積回路素子等を搭載するときに、荷重が印加されるが、この実施態様によれば、少なくとも一つの基板に形成されている断熱用空間は、平面視で、第１基板の複数の搭載用のパッド部に重ならない領域に形成されている。換言すると、平面視で、第１基板の複数の搭載用のパッド部に重なる領域には、断熱用空間が形成されていないので、集積回路素子等を搭載するときに印加される荷重を、断熱用空間のない強固な領域で安定して受け止めることができる。

（７）本発明の他の実施態様では、前記少なくとも一つの基板の前記断熱用空間は、平面視で、前記第１基板に搭載された前記集積回路素子に重なる領域内に形成されている。

この実施態様によると、基板の断熱用空間は、平面視で、第１基板に搭載された集積回路素子に重なる領域内に形成されている。換言すると、第１基板の集積回路素子が搭載された領域の下方には、基板の断熱用空間が形成されているので、集積回路素子の発熱による熱が、ベースの収納凹部へ放熱されるのを、断熱用空間によって効果的に抑制することができる。

（８）本発明の更に他の実施態様では、前記集積回路素子は、平面視が矩形であって、複数の実装端子を有し、前記複数の実装端子が、前記矩形の二組の対向辺の内の一方の組の各対向辺に沿う二列に配置され、かつ、各列の複数の前記実装端子が、前記各対向辺寄りにそれぞれに配置されており、前記少なくとも一つの基板の前記断熱用空間は、平面視で、前記第１基板に搭載された前記集積回路素子に重なる領域内であって、かつ、前記複数の実装端子の前記二列の間の領域に形成されている。

この実施態様によると、基板の断熱用空間は、平面視で、第１基板に搭載された集積回路素子に重なる領域内にあるので、集積回路素子の発熱による熱が、ベースの収納凹部へ放熱されるのを、断熱用空間によって効果的に抑制することができる。更に、基板の断熱用空間は、平面視で、集積回路素子を第１基板に搭載する際に、荷重が印加される集積回路素子の複数の実装端子に重なる領域ではなく、二列の実装端子の間の領域に形成されているので、集積回路素子を搭載する際に複数の実装端子に印加される荷重を、断熱用空間が形成されていない強固な領域で安定して受け止めることができる。

（９）本発明の一実施態様では、前記ベースは、前記収納凹部に接続電極を有し、前記集積回路素子は、前記複数の実装端子が、前記第１基板の複数の前記搭載用のパッド部にフリップチップ接続されて前記第１基板に搭載され、前記圧電振動子は、一方の面に接続端子を有し、前記圧電振動子は、その他方の面が、前記第１基板に搭載された前記集積回路素子に接合されて、該集積回路素子上に積層され、前記圧電振動子の前記一方の面の前記接続端子が、ボンディングワイヤーによって、前記第１基板の前記搭載用のパッド部、及び、前記ベースの前記接続電極の少なくともいずれか一方に電気的に接続されている。

この実施態様によると、圧電振動子は、第１基板にフリップチップ接続によって搭載された集積回路素子上に積層されて、ボンディングワイヤーによって、第１基板の搭載用のパッド部やベースの接続電極に接続される。このように圧電振動子は、第１基板に搭載された集積回路素子上に積層されるので、当該圧電発振器の平面サイズを小さくして小型化を図ることができる。

（１０）本発明の他の実施態様では、前記発熱体は、一方の面に抵抗配線が形成されたヒータ基板であり、該ヒータ基板は、その他方の面が、前記圧電振動子に接合されて、該圧電振動子上に積層され、前記ヒータ基板の前記一方の面の前記抵抗配線が、ボンディングワイヤーによって、前記第１基板の前記搭載用のパッド部、及び、前記ベースの前記接続電極の少なくともいずれか一方に電気的に接続されている。

この実施態様によると、ヒータ基板は、圧電振動子に接合されて、該圧電振動子上に積層されるので、圧電振動子を効率的に加熱することができると共に、当該圧電発振器の平面サイズを小さくして小型化を図ることができる。

（１１）本発明の更に他の実施態様では、前記搭載基板は、前記第１基板と前記第２基板との二枚の基板が互いに重なるように接合されて構成され、前記少なくとも一つの基板が、前記第２基板である。

この実施態様によると、圧電振動子、集積回路素子及び発熱体が搭載されている第１基板とは別の第２基板に断熱用空間を形成するので、第１基板の強度が低下することなく、第２基板の断熱用空間によって、第１基板に搭載された発熱体からの熱が、ベースの収納凹部を介して外部に放熱されるのを抑制しつつ、発熱体によって圧電振動子を効率よく加熱することができる。

本発明によれば、二重の恒温槽を、外側金属ケースで覆って断熱するといった多重の構造ではなく、ベース内に、圧電振動子、集積回路素子及び発熱体を搭載した搭載基板を収納して蓋体で気密に封止するという構造で、搭載基板の断熱用空間によって効果的に断熱し、搭載基板に搭載された発熱体からの熱が、ベースの収納凹部を介して外部に放熱されるのを抑制しつつ、発熱体によって圧電振動子を効率よく加熱することができ、圧電振動子の温度を安定に保持することができる。

これによって、周囲の温度変化に影響されることなく安定した周波数特性を有する小型の圧電発振器を得ることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る水晶発振器の概略構成図である。 図２は搭載基板の概略平面図である。 図３は図２のＡ－Ａ線に沿う断面図である。 図４は第２基板の概略平面図である。 図５は搭載基板が収納されたベースの概略平面図である。 図６は搭載基板にＩＣチップ及びコンデンサが搭載された状態のベースの概略平面図である。 図７は図１の水晶振動子の上下を反転させて、その側方から見た拡大断面図である。 図８は図７の水晶振動板の両主面の概略平面図である。 図９は図７の第１封止部材の両主面の概略平面図である。 図１０は図７の第２封止部材の両面の概略平面図である。 図１１は搭載基板に搭載されたＩＣチップ上に、水晶振動子が搭載された状態のベースの概略平面図である。 図１２は水晶振動子に搭載されるヒータ基板の平面図である。 図１３は搭載基板に搭載された水晶振動子上に、ヒータ基板が搭載され、ワイヤーボンディングされた状態を示すベースの概略平面図である。 図１４は本発明の他の実施形態の図１に対応する概略構成図である。 図１５は搭載基板の第２基板の他の例を示す概略平面図である。 図１６は本発明の更に他の実施形態の図１に対応する概略構成図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態では、圧電発振器として、外部の温度変化に影響されることなく高安定な周波数を出力する恒温槽型の水晶発振器に適用して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る恒温槽型の水晶発振器の概略構成図である。

この実施形態の水晶発振器１は、水晶振動子２と、集積回路素子としてのＩＣチップ３と、水晶振動子２を加熱する発熱体としてのヒータ基板５と、受動部品であるコンデンサ７と、これら２，３，５，７を搭載した搭載基板５０と、この搭載基板５０を収納して気密に封止するパッケージ６とを備えている。

この実施形態の搭載基板５０は、平面サイズが等しい２枚の第１，第２基板５１，５２が互いに重なるように接合されて構成されている。

ＩＣチップ３、水晶振動子２及びヒータ基板５は、その平面サイズが略等しく、ＩＣチップ３は、搭載基板５０の第１基板５１上にフリップチップ実装され、水晶振動子２はＩＣチップ３上に、ヒータ基板５は水晶振動子２上に、それぞれ後述のように積層して搭載される。なお、ＩＣチップ３、水晶振動子２及びヒータ基板５は、その平面サイズが互いに異なっていてもよい。

水晶振動子２は、水晶振動板１４及びこの水晶振動板１４の振動部を気密に封止する第１，第２封止部材１５，１６を備えている。

パッケージ６は、上部が開口し、水晶振動子２等が搭載された搭載基板５０を収納する収納凹部８ａを有するベース８と、シールリング９を介してベース８に接合されて上部の開口を閉塞して収納凹部８ａを気密に封止する蓋体としてのリッド１０とを備えている。

ベース８は、平板状の底板部８ｂと、その外周部に形成された第１側壁部８ｃと、この第１側壁部８ｃの外周部に形成された第２側壁部８ｄとを備えており、内周壁に段部を有する収容凹部８ａが構成される。

リッド１０による気密封止は、真空雰囲気中または窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中で行われ、パッケージ６の内部の空間は、真空または不活性ガス雰囲気とされる。

ベース８は、アルミナ等のセラミック材料からなり、例えば、３枚のセラミックグリーンシートを積層して上部が開口した段部を有する凹状に一体焼成して構成される。

この実施形態では、水晶振動子２を加熱するためのヒータ基板５の熱が、ベース８から当該水晶発振器１が搭載される外部基板側へ放熱されるのを抑制して、水晶振動子２の温度を安定に維持できるようにするために、次のようにしている。

すなわち、ベース８の収納凹部８ａの底面に接合される第２基板５２の上面には、窪んだ第１～第３窪み部５２ａ～５２ｃが形成されている。これによって、搭載基板５０の水晶振動子２等が搭載される第１基板５１の搭載面（上面）とベース８の収納凹部８ａの底面との間に、断熱するための第１～第３窪み部５２ａ～５２ｃによる断熱用空間が形成される。

図２は、搭載基板５０の概略平面図であり、図３は、図２のＡ－Ａ線に沿う断面図であり、図４は、第２基板５２の概略平面図である。

搭載基板５０は、水晶振動子２等が搭載される第１基板５１と、ベース８の収納凹部８ａの底面に接合される第２基板５２とが、互いに重なるように非導電性接着剤によって接合されている。第２基板５２は、ベース８の収納凹部８ａの底面に非導電性接着剤によって接合されている。

水晶振動子２等が搭載される第１基板５１の搭載面、すなわち、上面には、図２に示すように配線パターン１１が形成されると共に、所要の配線パターン１１の端部には、ＩＣチップ３をフリップチップ接続するための搭載用のパッド部（図示せず）が形成されている。

ベース８の収納凹部８ａの底面に接合される第２基板５２の、第１基板５１との接合面、すなわち、第２基板５２の上面には、上記の第１～第３窪み部５２ａ～５２ｃが、図４に示すように異なる平面サイズの矩形にそれぞれ形成されている。第１基板５１と第２基板５２とが接合されて、第２基板５２の第１～第３窪み部５２ａ～５２ｃが第１基板５１によって閉塞されて断熱用空間が構成される。

この実施形態の第２基板５２の厚みは、図３に示されるように、第１基板５１の厚みに比べて厚く強度が高いので、第１～第３窪み部５２ａ～５２ｃの深さを深くすることができ、また、サイズを大きくすることができるので、効果的な断熱を図ることができる。

また、第２基板５２の上面に形成された第１～第３窪み部５２ａ～５２ｃによって、第１基板５１と第２基板５２との接触面積を低減できるので、両基板５１，５２間の熱伝導が抑制され、第１基板５１に搭載されているヒータ基板５からの熱が、ベース８の収納凹部８ａの底部を介して当該水晶発振器１が搭載される外部基板側へ放熱されるのを抑制することができる。

この実施形態では、第１，第２窪み部５２ａ，５２ｂは、図１に示すように、コンデンサ７の下方に近接した領域に形成されている。第３窪み部５２ｃは、図１及び図４の仮想線で示されるように、第１基板５１に搭載されたＩＣチップ３に、平面視で重なる領域内、すなわち、ＩＣチップ３を、第２基板５２に投影したＩＣチップ投影領域内に形成されている。

このように第２基板５２の第３窪み部５２ｃを、第１基板５１に搭載されたＩＣチップ３に平面視で重なる領域内に形成しているので、ＩＣチップ３上のヒータ基板５からの熱が、搭載基板５０の第２基板５２の第３窪み部５２ｃよって効果的に断熱されることになる。これによって、ベース８の収納凹部８ａの底部を介して当該水晶発振器１が搭載される外部基板側へ放熱されるのを抑制して、水晶振動子２の温度を安定に維持できる。

平面視矩形のＩＣチップ３は、図４の仮想線で示すように、複数、この例では６個の実装端子３ａを備えている。この６個の実装端子３ａは、対向する各長辺寄りの位置に、各長辺に沿って３個ずつ二列に配置されている。

第２基板５２の第３窪み部５２ｃは、この二列の複数の実装端子３ａに重ならないように、前記二列の間の領域、すなわち、ＩＣチップ３の二列の各実装端子３ａを第２基板５２に投影した投影実装端子の前記二列の間の領域に形成されている。

このように第２基板５２の第３窪み部５２ｃは、平面視で、第１基板５１にフリップチップ接続によって搭載されるＩＣチップ３の二列の実装端子３ａの間の領域に形成されている。換言すると、ＩＣチップ３の二列の実装端子３ａの下方には、第３窪み部５２ｃは形成されていないので、ＩＣチップ３を搭載する際に印加される荷重を、第３窪み部５２ｃが形成されていない第２基板５２の強固な領域で安定して受け止めることができる。

この実施形態の搭載基板５０を構成する第１，第２基板５１，５２は、水晶基板で構成されており、セラミックからなる平板、例えば、セラミック基板やセラミックパッケージの底板部に比べて、その平面の平坦度が良好である。

このため、セラミックからなるベース８の収納凹部８ａの底面に反りがあっても、このベース８の収納凹部８ａの底面に、非導電性接着剤を介してダイボンディングされた第２基板５２及び第１基板５１の上面の平坦度は良好である。

図５は、搭載基板５０が収納凹部８ａの底面にダイボンディングされた状態のベース８の概略平面図である。搭載基板５０の搭載面である第１基板５１の上面には、上記のように複数の配線パターン１１が形成されている。

ＩＣチップ３は、上記のように６個の実装端子３ａを備えており、搭載基板５０の第１基板５１の搭載面の配線パターン１１に、図１に示されるように、金属バンプ１３を介してフリップチップ接続される。

上記のように搭載基板５０は、平坦度が良好であるので、ＩＣチップ３をフリップチップ実装する際に印加される荷重が、ＩＣチップ３の複数の実装端子３ａ間でばらつくのが抑制されて、安定な接続が可能となり、ＩＣチップ３の接続の信頼性が向上する。

ベース８の第１側壁部８ｃの上面、すなわち、内周壁の段部の上面には、導体配線パターンからなる複数の接続電極１２が形成されている。この接続電極１２は、後述のようにボンディングワイヤー３９によって、第１基板５１の配線パターン１１に電気的に接続される。

図６は、収納凹部８ａの底面に接合された搭載基板５０の第１基板５１の搭載面に、ＩＣチップ３がフリップチップ実装された状態を示す図５に対応する概略平面図である。第１基板５１の搭載面の配線パターン１１には、複数のコンデンサ７も半田等の接合材によって実装される。

この実施形態のＩＣチップ３は、発振回路、温度センサ、及び、温度センサの検出温度に基づいて、ヒータ基板５の発熱を制御する温度制御回路を内蔵している。

水晶振動子２は、図１に示されるように、ＩＣチップ３上に搭載される。水晶振動子２は、後述の外部接続端子が上方に臨むように、上下を反転させた状態で搭載される。

図７は、図１の水晶振動子２を側方から見た拡大断面図であって、図１の水晶振動子２の上下を反転させた状態の拡大断面図である。水晶振動子２は、圧電振動板である水晶振動板１４と、水晶振動板１４の一方の主面側を覆って気密に封止する第１封止部材１５と、水晶振動板１４の他方の主面側を覆って気密に封止する第２封止部材１６とを備えている。

この水晶振動子２では、水晶振動板１４の両主面側に、第１，第２封止部材１５，１６がそれぞれ接合されて、いわゆるサンドイッチ構造のパッケージが構成される。この水晶振動子２のパッケージは、直方体であって、平面視矩形である。

次に、水晶振動子２を構成する水晶振動板１４及び第１，第２封止部材１５，１６の各構成について説明する。

図８（ａ）は図７の水晶振動板１４の一方の主面（図７では上面）側を示す概略平面図であり、図８（ｂ）は水晶振動板１４の一方の主面側から透視した他方の主面（図７では下面）側を示す概略平面図である。

この実施形態の水晶振動板１４は、ＡＴカット水晶板であり、その両主面が、ＸＺ´平面である。

水晶振動板１４は、略矩形の振動部２０と、この振動部２０の周囲を、空間（隙間）２１を挟んで囲む外枠部２２と、振動部２０と外枠部２２とを連結する連結部２３とを備えている。振動部２０、外枠部２２及び連結部２３は、一体的に形成されている。図示していないが、振動部２０及び連結部２３は、外枠部２２に比べて薄く形成されている。

振動部２０の両主面には、一対の第１，第２励振電極２４，２５がそれぞれ形成されている。第１，第２励振電極２４，２５からは、第１，第２引出し電極２６，２７がそれぞれ引出されている。一方の主面側の第１引出し電極２６は、連結部２３を経て外枠部２２に形成された接続用接合パターン２８まで引出されている。他方の主面側の第２引出し電極２７は、連結部２３を経て外枠部２２に形成された接続用接合パターン３０まで引出されている。

水晶振動板１４の一方の主面には、水晶振動板１４を第１封止部材１５に接合するための接合用金属膜としての第１封止用接合パターン３１が、外枠部２２の全周に亘って、水晶振動板１４の外周縁に略沿うように環状に形成されている。水晶振動板１４の他方の主面には、水晶振動板１４を第２封止部材１６に接合するための接合用金属膜としての第２封止用接合パターン３２が、外枠部２２の全周に亘って、水晶振動板１４の外周縁に略沿うように環状に形成されている。

水晶振動板１４には、両主面間を貫通する第１貫通電極２９が形成されている。第１貫通電極２９は、貫通孔の内壁面に金属膜が被着されて構成されている。第１貫通電極２９は、環状の第１，第２封止用接合パターン３１，３２の内側であって、平面視矩形の水晶振動板１４の一方の短辺寄りの外枠部２２に形成されている。水晶振動板１４の一方の主面側の第１貫通電極２９の周囲には、第１励振電極２４から引出された第１引出し電極２６に連なる上記接続用接合パターン２８が延びている。第１貫通電極２９は、接続用接合パターン２８に電気的に接続されており、したがって、第１貫通電極２９は、第１励振電極２４に電気的に接続されている。

水晶振動板１４の第１，第２励振電極２４，２５、第１，第２引出し電極２６，２７、第１，第２封止用接合パターン３１，３２、及び、接続用接合パターン２８，３０は、例えば、ＴｉまたはＣｒからなる下地層上に、例えば、Ａｕが積層形成されて構成されている。

図９（ａ）は図７の第１封止部材１５の一方の主面（図７では上面）側を示す概略平面図であり、図９（ｂ）は第１封止部材１５の一方の主面側から透視した他方の主面（図７では下面）側を示す概略平面図である。

第１封止部材１５は、水晶振動板１４と同様のＡＴカット水晶板からなる直方体の基板である。この第１封止部材１５の一方の主面には、図９（ａ）に示すように、外周縁を除いて全面に熱伝導用の配線パターン４８が形成されている。第１封止部材１５の他方の主面には、図９（ｂ）に示すように、水晶振動板１４の一方の主面の第１封止用接合パターン３１に接合して封止するための接合用金属膜としての第１封止用接合パターン３３が、第１封止部材１５の全周に亘って、第１封止部材１５の外周縁に略沿うように環状に形成されている。

第１封止部材１５には、その両主面間を貫通して、一方の主面の配線パターン４８と他方の主面の第１封止用接合パターン３３とを繋ぐ貫通電極４９が形成されている。この貫通電極４９は、貫通孔の内壁面に金属膜が被着されて構成されている。

配線パターン４８及び第１封止用接合パターン３３は、例えば、ＴｉまたはＣｒからなる下地層上に、例えば、Ａｕが積層形成されて構成されている。

図１０（ａ）は図７の第２封止部材１６の一方の主面（図７では上面）側を示す概略平面図であり、図１０（ｂ）は第２封止部材１６の一方の主面側から透視した他方の主面（図７では下面）側を示す概略平面図である。

第２封止部材１６は、水晶振動板１４や第１封止部材１５と同様のＡＴカット水晶板からなる直方体の基板である。

第２封止部材１６の一方の主面には、図１０（ａ）に示すように、水晶振動板１４の他方の主面の第２封止用接合パターン３２に接合して封止するための接合用金属膜としての第２封止用接合パターン３４が、第２封止部材１６の全周に亘って、第２封止部材１６の外周縁に略沿うように環状にそれぞれ形成されている。

第２封止部材１６には、その両主面間を貫通する２つの第２，第３貫通電極４２，４３が、環状の第２封止用接合パターン３４の内側に形成されている。各貫通電極４２，４３は、貫通孔の内壁面に金属膜が被着されて構成されている。

第２封止部材１６の環状の第２封止用接合パターン３４の内側の一方の短辺寄りには、接続用接合パターン３７が、水晶振動板１４の他方の主面の第１貫通電極２９に対応するように形成されている。水晶振動板１４と第２封止部材１６とが後述のように接合されることによって、第１貫通電極２９は、接続用接合パターン３７に接合されて電気的に接続される。第１貫通電極２９は、図８（ａ）に示すように、水晶振動板１４の第１励振電極２４に電気的に接続されている。したがって、第２封止部材１６の一方の主面の接続用接合パターン３７は、水晶振動板１４と第２封止部材１６との接合によって、第１励振電極２４に電気的に接続される。

この接続用接合パターン３７は、図１０（ａ）に示すように、接続用配線パターン３６を介して、他方の短辺寄りの第２貫通電極４２に電気的に接続されている。したがって、第２貫通電極４２は、水晶振動板１４と第２封止部材１６との接合によって、接続用配線パターン３６、接続用接合パターン３７、水晶振動板１４の第１貫通電極２９、接続用接合パターン２８及び第１引出し電極２６を介して第１励振電極２４に電気的に接続される。

第２封止部材１６の一方の主面の第３貫通電極４３は、水晶振動板１４の他方の主面の接続用接合パターン３０に対応するように形成されている。水晶振動板１４の他方の主面の接続用接合パターン３０は、図８（ｂ）に示されるように、第２励振電極２５に電気的に接続されている。したがって、水晶振動板１４と第２封止部材１６とが後述のように接合されることによって、第２封止部材１６の第３貫通電極４３は、水晶振動板１４の接続用接合パターン３０、第２引出し電極２７を介して第２励振電極２５に電気的に接続される。

第２封止部材１６の他方の主面には、図１０（ｂ）に示すように、外部に電気的に接続するための一対の第１，第２外部接続端子４０，４１が設けられている。第１，第２外部接続端子４０，４１は、第２封止部材１６の長辺方向の両端側において、それぞれ短辺方向に沿って延びている。

第１，第２外部接続端子４０，４１は、第２，第３貫通電極４２，４３にそれぞれ電気的に接続されている。第２，第３貫通電極４２，４３は、上記のように、水晶振動板１４の第１，第２励振電極２４，２５にそれぞれ電気的に接続されるので、第１，第２外部接続端子４０，４１は、第１，第２励振電極２４，２５にそれぞれ電気的に接続される。

第２封止部材１６の第２封止用接合パターン３４、接続用接合パターン３７、接続用配線パターン３６、及び、第１，第２外部接続端子４０，４１は、例えば、ＴｉまたはＣｒからなる下地層上に、例えば、Ａｕが積層形成されて構成されている。

この実施形態の水晶振動子２は、水晶振動板１４と第１封止部材１５とが、それぞれの第１封止用接合パターン３１，３３を重ね合わせた状態で拡散接合されると共に、水晶振動板１４と第２封止部材１６とが、それぞれの第２封止用接合パターン３２，３４を重ね合わせた状態で拡散接合されて、図７に示すサンドイッチ構造のパッケージが製造される。これによって、水晶振動板１４の振動部２０が収容された収容空間が、両封止部材１５，１６によって気密に封止される。

このように水晶振動板１４及び第１，２封止部材１５，１６の３枚の水晶板を積層して、振動部２０を収容したパッケージ構造の水晶振動子２が得られる。これによって、収容空間となる凹部を有する箱状のセラミック容器内に、水晶振動片を収容して蓋を接合して封止するパッケージ構造の水晶振動子に比べて、薄型化（低背化）を図ることができる。

図７に示される水晶振動子２は、第１封止部材１５が下面、第２封止部材１６が上面となるように上下が反転されて、ＩＣチップ３の非能動面である上面に、非導電性接着剤を介して接合される。

図１１は、図６に示されるＩＣチップ３の上面に接合された水晶振動子２を示すベース８の概略平面図である。ＩＣチップ３上に搭載された水晶振動子２は、その第１，第２外部接続端子４０，４１が上方に露出している。

図１２は、この水晶振動子２上に搭載されるヒータ基板５を示す平面図である。

ヒータ基板５は、水晶等の基板１７に、蛇行したパターンの抵抗配線１８が形成されている。この基板１７は、平面視略矩形の４つの角部の内の一つの角部が矩形に切欠かれた第１切欠き部１７ａと、一方の長辺の短辺寄りの部分が矩形に切欠かれた第２切欠き部１７ｂとを有している。これら切欠き部１７ａ，１７ｂは、ヒータ基板５を、水晶振動子２上に搭載した状態で、水晶振動子２の第１，第２外部接続端子４０，４１の一部を、上方へ露出させるための切欠きである。

抵抗配線１８の両端部１８ａ，１８ｂは、一方の短辺側へ引出されており、この抵抗配線５９には、例えば、ニクロム、クロム、タングステン等が使用される。

図１３は、図１１の水晶振動子２上に、ヒータ基板５を搭載し、ワイヤーボンディングを行った状態を示す概略平面図である。

ヒータ基板５は、抵抗配線１８が形成されていない下面側を、非導電性接着剤によって、水晶振動子２に接合する。この状態では、ヒータ基板５の第１，第２切欠き部１７ａ，１７ｂから水晶振動子２の第２封止部材１６の第１，第２外部接続端子４０，４１の一部が上方へ露出している。なお、ヒータ基板５と水晶振動子２との接合は、非導電性接着剤に代えて、導電性接着剤を用いてもよい。

この水晶振動子２の第１，第２外部接続端子４０，４１、及び、ヒータ基板５の抵抗配線１８の両端部１８ａ，１８ｂが、ボンディングワイヤ－３８によって、搭載基板５０の第１基板５１の所要の配線パターン１１にそれぞれ電気的に接続される。

これによって、搭載基板５０の第１基板５１にフリップチップ実装されたＩＣチップ３は、搭載基板５０の第１基板５１の配線パターン１１を介して水晶振動子２及びヒータ基板５に電気的にそれぞれ接続される。

また、搭載基板５０の第１基板５１の所要の配線パターン１１が、ボンディングワイヤ－３９によって、ベース８の第１側壁部８ｃの上面の所要の接続電極１２にそれぞれ電気的に接続される。

これによって、ＩＣチップ３は、搭載基板５０の配線パターン１１、ボンディングワイヤー３９、ベース８の接続電極１２及びベース８の内部配線を介してベース８の外底面の図示しない電源端子、出力端子、制御端子、ＧＮＤ端子等の複数の外部接続端子、すなわち、当該水晶発振器１の実装用の複数の外部接続端子に電気的に接続される。

ボンディングワイヤー３８，３９の素材としては、信頼性の観点からＡｕが好ましいが、Ｃｕなどであってもよい。

この実施形態の水晶発振器１では、ＩＣチップ３によって、ヒータ基板５の発熱量が制御されて、水晶振動子２の温度が制御される。

以上の構成を有する本実施形態によれば、水晶振動子２、ＩＣチップ３及びヒータ基板５を搭載して、ベース８の収納凹部８ａの底面に接合される搭載基板５０は、搭載面と収納凹部８ａの底面との間に、第１～第３窪み部５２ａ～５２ｃからなる断熱用空間を有するので、この断熱用空間によって効果的に断熱することができる。これによって、搭載基板５０に搭載されたヒータ基板５からの熱が、ベース８の収納凹部８ａを介して外部に放熱されるのを抑制しつつ、ヒータ基板５によって水晶振動子２を効率よく加熱することができ、外部の温度等が変化しても、水晶振動子２の温度を安定に保持して、周波数の安定化を図ることができる。

また、ベース８内に、水晶振動子２、ＩＣチップ３及びヒータ基板５を搭載した搭載基板５０を収納してリッド１０で気密に封止する構造なので、上記特許文献１のように、二重の恒温槽を、外側金属ケースで覆うような三重の構造にする必要がなく、小型化を図ることができる。

これによって、周囲の温度変化に影響されることなく安定した周波数特性を有する小型の水晶発振器１となる。

更に、搭載基板５０上に、ＩＣチップ３、水晶振動子２及びヒータ基板５を積層して搭載するので、当該水晶発振器１の平面サイズを小さくすることができる。

また、ＩＣチップ３上に水晶振動子２が搭載されているので、水晶振動子２の温度を、ＩＣチップ３の内蔵の温度センサによって正確に検出することができ、水晶振動子２の温度制御を高精度に行うことができる。

水晶振動子２は、熱伝導用の配線パターン４８が全面に形成された第１封止部材１５の一方の主面が、ＩＣチップ３に接合されているので、ＩＣチップ３の発熱が、第１封止部材１５の配線パターン４８、貫通電極４９、及び、第１封止用接合パターン３３を介して水晶振動板１４の第１封止用接合パターン３１に伝導する。これによって、ＩＣチップ３の発熱で水晶振動板１４を効率的に加熱することができる。

図１４は、本発明の他の実施形態の図１に対応する概略構成図である。

上記実施形態では、搭載基板５０にフリップチップ実装されたＩＣチップ３上に、水晶振動子２及びヒータ基板５を積層して搭載したが、この実施形態の水晶発振器１_１では、搭載基板５０_１にフリップチップ実装されたＩＣチップ３上には、水晶振動子２及びヒータ基板５を搭載することなく、搭載基板５０_１上に、水晶振動子２を搭載し、この水晶振動子２上にヒータ基板５を搭載している。

搭載基板５０_１には、図示しないコンデンサ等の受動部品が搭載されている。

この実施形態の搭載基板５０_１では、第１基板５１_１の上面に、ＩＣチップ３及び水晶振動子２を搭載するための配線パターン等が形成されており、第２基板５２_１には、水晶振動子２に平面視で重なる領域に、第１窪み部５２_１ａが形成され、ＩＣチップＩＣ３に平面視で重なる領域に、第２窪み部５２_１ｂがそれぞれ形成されている。第１，第２窪み部５２_１ａ，５２_１ｂは、平面視矩形である。

その他の構成は、上記図１の実施形態と同様である。

第２基板５２，５２_１に形成される窪み部の数や形状等は、上記実施形態に限らず、例えば、図１５（ａ）の第２基板５２_２に示すように、サイズの異なる複数、例えば、３つの第１～第３窪み部５２_２ａ～５２_２ｃを形成してもよい。この場合、特に放熱を抑制したい部分に大きなサイズの窪み部を形成するのが好ましい
また、例えば、図１５（ｂ）の第２基板５２_３に示すように、小さな矩形の第１窪み部５２_３ａを、格子状に多数配列形成し、更に、第１窪み部５２_３ａよりも大きな第２窪み部５２_３ｂ及び第３窪み部５２_３ｃを形成してもよい。

また、格子状に配列形成される多数の第１窪み部５２_３ａの内、第１基板５１の搭載用のパッド部の下方に重なる領域ｐ１～ｐ３には、第１窪み部５２_３ａを形成しないようにして、第１基板５１の搭載用のパッド部に印加される荷重を、第１窪み部５２_３ａが形成されていない第２基板５２_３の強固な領域で安定して受け止めるようにするのが好ましい。

更に、窪み部は、第２基板５２，５２_１，５２_２，５２_３の上面に限らず、下面に形成してもよく、あるいは、両面に形成してもよい。

上記各実施形態では、第２基板５２，５２_１，５２_２，５２_３に、窪み部５２ａ～５２ｃ，５２_１ａ，５２_１ｂ，５２_２ａ～５２_２ｃ，５２_３ａ～５２_３ｃを形成して断熱用空間を構成したが、窪み部に限らず、例えば、第２基板を貫通する貫通孔等の貫通部を形成して断熱用空間を構成してもよく、あるいは、窪み部と貫通部との両者を形成してもよい。

本発明の更に他の実施形態として、図１６に示されるように、搭載基板５０_４を、ベース８の収納凹部８ａの底面ではなく、収納凹部８ａ内の段部、すなわち、収納凹部８ａの底面の外周部に形成された第１側壁部８ｃに架け渡すように、第１側壁部８ｃの上面に接合してもよい。この構成によれば、搭載基板５０_４の第２基板５２_４の下面と、収納凹部８ａの底面との間に、空間５５が形成されるので、この空間５５と搭載基板５０_４の第２基板５２_４に形成された第１～第３窪み部５２_４ａ～５２_４ｃとが相俟って、断熱効果を一層高めることができる。

この図１６の実施形態では、搭載基板５０_４の第１基板５１_４上には、発熱体としてのヒータ用ＩＣ４、水晶振動子２、及び、ＩＣチップ３_４が、この順で積層されて搭載されている。ヒータ用ＩＣ４、水晶振動子２が、及び、ＩＣチップ３_４は、平面サイズが互いに異なっており、ヒータ用ＩＣ４が最も大きく、ＩＣチップ３_４が最も小さい。したがって、搭載基板５０_４から上方へ向けて平面サイズが徐々に小さくなるように、ヒータ用ＩＣ４、水晶振動子２、及び、ＩＣチップ３_４が積層される。

搭載基板５０_４の第１基板５１_４とヒータ用ＩＣ４、ヒータ用ＩＣ４と水晶振動子２、及び、水晶振動子２とＩＣチップ３_４とは、非導電性接着剤によってそれぞれ接合されている。なお、水晶振動子２とＩＣチップ３_４とを、金属バンプや半田ボール等の接合部材によって接合してもよい。

ヒータ用ＩＣ４は、発熱部と、この発熱部の温度を制御する電流制御用の制御回路と、発熱部の温度を検出する温度センサが一体となって構成されている。

この実施形態のＩＣチップ３_４は、発振用のＩＣであって、温度センサ及び温度制御回路は内蔵していない。

ヒータ用ＩＣ４、水晶振動子２及びＩＣチップ３_４は、ボンディングワイヤ－３８によって、搭載基板５０_４の第１基板５１_４の所要の配線パターンにそれぞれ電気的に接続されている。

また、搭載基板５０_４の第１基板５１_４の所要の配線パターンが、ボンディングワイヤ－３９によって、ベース８の第１側壁部８ｃの上面の所要の接続電極にそれぞれ電気的に接続されている。

なお、ヒータ用ＩＣは、発熱部及び温度センサを内蔵していなくてもよく、外部のヒータの発熱を制御する回路を内蔵するものであればよい。

本発明の他の実施形態として、基板に形成された窪み部や貫通部によって構成される複数の断熱用空間の少なくとも一部の断熱用空間には、樹脂を充填して、基板を補強してもよい。この場合、水晶に比べて熱伝導率の低い樹脂の充填によって、断熱を図ることができる。

上記各実施形態では、搭載基板５０，５０_１を二枚の基板で構成したが、搭載基板を１枚、あるいは、３枚以上の基板で構成してもよい。この場合、水晶振動子２等が搭載される搭載面とベース８の収納凹部８ａの底面との間に、断熱用空間があるのが好ましく、一枚あるいは複数枚のいずれの基板に断熱用空間を形成するかは任意である。

上記各実施形態では、ヒータ基板５に第１，第２切欠き部１７ａ，１７ｂを形成して、水晶振動子２の第１，第２外部接続端子４０，４１の一部を露出させたが、ヒータ基板５に切欠きを形成することなく、その平面サイズを小さくして、第１，第２外部接続端子４０，４１の一部を露出させるようにしてもよい。あるいは、水晶振動子２の平面サイズを、ヒータ基板５に比べて大きくして、第１，第２外部接続端子４０，４１を露出させてもよい。

上記各実施形態では、平坦度が良好な絶縁性の基板として、水晶基板を使用したが、水晶基板に限らず、ガラス基板等を使用してもよい。

水晶振動子２を加熱する発熱体としては、ヒータ基板５に代えて、例えば、ポリイミドフィルム等に金属箔の抵抗パターンを形成したフィルム抵抗を用いてもよく、チップ抵抗体を、搭載基板５０，５０_１に搭載してもよい。

上記各実施形態では、水晶振動板１４にＡＴカット水晶を用いたが、これに限定されるものではなく、ＡＴカット水晶以外の水晶を用いてもよい。

上記実施形態では、各貫通電極２９，４２，４３は、貫通孔の内壁面に金属膜が被着されて構成されているが、これに限らず、貫通孔を導電材料によって埋めてもよい。

１，１_１，１_４ 水晶発振器
２ 水晶振動子
３，３_４ ＩＣチップ（集積回路素子）
４ ヒータ用ＩＣ
５ ヒータ基板
６ パッケージ
７ コンデンサ
８ ベース
１０ リッド（蓋体）
１１ 配線パターン
１２ 接続電極
１３ 金属バンプ
１４ 水晶振動板
１５ 第１封止部材
１６ 第２封止部材
３８，３９ ボンディングワイヤー
５０，５０_１，５０_４ 搭載基板
５１，５１_１，５１_４ 第１基板
５２，５２_１～５２_４ 第２基板
５２ａ，５２_１ａ～５２_４ａ 第１窪み部（空隙）
５２ｂ，５２_１ｂ～５２_４ｂ 第２窪み部（空隙）
５２ｃ，５２_２ｃ～５２_４ｃ 第３窪み部（空隙）

Claims (11)

1. 圧電振動子、集積回路素子及び発熱体が搭載された搭載基板と、
   前記搭載基板を収納する収納凹部を有するベースと、
   前記ベースの開口に接合されて、前記搭載基板が収納された前記収納凹部を気密に封止する蓋体とを備え、
   前記搭載基板は、断熱用空間を有する、
   ことを特徴とする圧電発振器。
2. 前記搭載基板の前記断熱用空間が、窪み部及び貫通部の少なくともいずれか一方によって形成されている、
   請求項１に記載の圧電発振器。
3. 前記搭載基板は、搭載面を有する第１基板と、前記収納凹部に接合される第２基板とを含む複数の基板が、重なるように接合されて構成され、
   前記複数の基板の内の少なくとも一つの基板は、前記断熱用空間を有する、
   請求項１または２に記載の圧電発振器。
4. 前記第１基板は、絶縁基板に、配線パターン及び複数の搭載用のパッド部が形成されて前記搭載面が構成され、
   前記少なくとも一つの基板は、絶縁基板に前記断熱用空間が形成されて構成される、
   請求項３に記載の圧電発振器。
5. 前記絶縁基板が、水晶基板又はガラス基板である、
   請求項４に記載の圧電発振器。
6. 前記少なくとも一つの基板の前記断熱用空間は、平面視で、前記第１基板の前記複数の搭載用のパッド部に重ならない領域に形成されている、
   請求項４または５に記載の圧電発振器。
7. 前記少なくとも一つの基板の前記断熱用空間は、平面視で、前記第１基板に搭載された前記集積回路素子に重なる領域内に形成されている、
   請求項４ないし６のいずれか一項に記載の圧電発振器。
8. 前記集積回路素子は、平面視が矩形であって、複数の実装端子を有し、
   前記複数の実装端子が、前記矩形の二組の対向辺の内の一方の組の各対向辺に沿う二列に配置され、かつ、各列の複数の前記実装端子が、前記各対向辺寄りにそれぞれに配置されており、
   前記少なくとも一つの基板の前記断熱用空間は、平面視で、前記第１基板に搭載された前記集積回路素子に重なる領域内であって、かつ、前記複数の実装端子の前記二列の間の領域に形成されている、
   請求項７に記載の圧電発振器。
9. 前記ベースは、前記収納凹部に接続電極を有し、
   前記集積回路素子は、前記複数の実装端子が、前記第１基板の複数の前記搭載用のパッド部にフリップチップ接続されて前記第１基板に搭載され、
   前記圧電振動子は、一方の面に接続端子を有し、前記圧電振動子は、その他方の面が、前記第１基板に搭載された前記集積回路素子に接合されて、該集積回路素子上に積層され、前記圧電振動子の前記一方の面の前記接続端子が、ボンディングワイヤーによって、前記第１基板の前記搭載用のパッド部、及び、前記ベースの前記接続電極の少なくともいずれか一方に電気的に接続されている、
   請求項８に記載の圧電発振器。
10. 前記発熱体は、一方の面に抵抗配線が形成されたヒータ基板であり、該ヒータ基板は、その他方の面が、前記圧電振動子に接合されて、該圧電振動子上に積層され、前記ヒータ基板の前記一方の面の前記抵抗配線が、ボンディングワイヤーによって、前記第１基板の前記搭載用のパッド部、及び、前記ベースの前記接続電極の少なくともいずれか一方に電気的に接続されている、
    請求項９に記載の圧電発振器。
11. 前記搭載基板は、前記第１基板と前記第２基板との二枚の基板が互いに重なるように接合されて構成され、
    前記少なくとも一つの基板が、前記第２基板である、
    請求項３ないし１０のいずれか一項に記載の圧電発振器。

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